Введение к работе
Актуальность исследований. В XXI веке главной проблемой, стоящей перед человечеством стала проблема доступной чистой питьевой воды (2nd UN World Water Development Report, 2006). Байкал – крупнейшее хранилище чистой пресной воды на планете (23 тыс. км3) и ее стратегический запас для России. Фитопланктон является первым звеном трофической цепи и основным продуцентом органического вещества в Байкале. Его структура и функциональные особенности во многом определяют облик экосистемы озера в целом. Альгоценозы являются очень чувствительным биологическим индикатором и могут фиксировать незначительные изменения, не обнаруживаемые другими методами (Korneva, Mineeva, 1996). Наиболее же достоверная информация о структурно-функциональной организации гидробиоценозов может быть получена путем анализа длительных рядов гидробиологических наблюдений (Jrgensen, 2002; Wetzel, 2001; Kalff, 2002), поэтому актуален вопрос о длительных многолетних исследованиях фитопланктона Байкала в плане экологического мониторинга.
Обилие видов, населяющих водоем, сложность их взаимодействия, как между собой, так и с окружающей средой, послужили причиной создания многочисленных методов оценки состояния природных вод. Один из вариантов термодинамического подхода к оценке состояния экосистем – эксэргиальный, предложили в конце 1970-х годов Х.Ф. Мейер и С.Э. Йоргенсен (Mejer, Jrgensen, 1979). Основа его состоит в том, что любая система, и экосистема в том числе, согласно второму закону термодинамики спонтанно движется в направлении увеличения беспорядка, т. е. энтропии. Из этого следует, что экосистема может поддерживать свою организованность тогда и только тогда, когда она способна «сбрасывать» излишки энтропии в окружающую среду, – то есть необходимым условием существования экосистемы является наличие источника низкоэнтропийной энергии (солнечная радиация) и «сброса» высокоэнтропийной энергии (тепловое излучение). Таким образом, наиболее оптимальными системами являются те, что быстрее всех удаляются от термодинамического равновесия, то есть минимизируют энтропию (максимизируют эксэргию). В случае же ухудшения состояния экологической системы её эксэргия снижается (энтропия растет). Эксэргию системы подсчитать намного проще, чем энтропию, поэтму её удобно использовать для практической оценки состояния экосистемы.
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы – изучение многолетней динамики количественных и структурных характеристик сообщества фитопланктона пелагиали Южного Байкала в фоновом районе и оценка его функционального состояния с помощью термодинамической целевой функции (эксэргии).
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. изучить сезонную динамику численности и биомассы фитопланктона в 1996–2000, 2005 и 2008 гг.;
2. установить изменчивость структурной организации сообщества фитопланктона в разные годы;
3. выявить массовые виды байкальского фитопланктона и особенности сукцессии их популяций;
4. выявить роль диатомовых водорослей в планктоальгоценозе озера Байкал в 1973–1999 гг.;
5. оценить состояние планктонного сообщества фонового района Южного Байкала с помощью термодинамической целевой функции (эксэргии) в период 1951–1999 гг..
Положения, выносимые на защиту:
1. Характер сезонной сукцессии пелагического фитопланктона и состав его массовых видов в конце 1990-х – начале 2000-х годов принципиально не изменился по сравнению с предыдущими периодами наблюдений;
2. В фитопланктонном сообществе пелагиали Байкала отсутствует однозначно доминирующая группа видов, а доля диатомовых водорослей в общей биомассе подвержена сезонным и межгодовым колебаниям;
3. Применение эксэргии показывает, что в планктонном сообществе фонового района Южного Байкала отсутствуют выраженные неблагоприятные изменения.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования.
Настоящее исследование является комплексным изучением планктоальго-ценоза фонового района Южного Байкала, выполненным по единой схеме. Это позволило оценить особенности изменчивости качественных и количественных показателей как всего сообщества, так и отдельных групп водорослей в ходе сезонных сукцессий. Впервые проведен подробный анализ многолетней и сезонной динамики численности и биомассы, а также структурной организации сообщества фитопланктона в Южном Байкале в современный период (1996–2000, 2005 и 2008 гг.); установлено что характер сезонной сукцессии принципиально не изменился. Уточнена реальная роль диатомовых водорослей в многолетней динамике биомассы фитопланктона озера Байкал; впервые для периода 1973–1999 гг. выявлено наличие U-образного параболического тренда среднегодовой доли диатомовых в общей биомассе фитопланктона с минимумом в 1984–1987 гг.. Впервые проведена оценка состояния планктонного сообщества фонового района Южного Байкала с 1951 по 1999 гг. с использованием термодинамической целевой функции (эксэргии) и показано отсутствие выраженных неблагоприятных изменений.
Практическая значимость. Работа являлась частью комплексных исследований по темам: «Создание эколого-информационной системы моделирования и прогнозирования состояния планктона озера Байкал» (научная отраслевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы», 2005 г.); «Массив данных по динамике планктона в озере Байкал за 60-лет: Исследование граней бриллианта Сибири» (ПЛАНКТОН ОЗЕРА БАЙКАЛ) / ”The 60-year data set of plankton dynamics in Lake Baikal: Examining facets of the jewel of Siberia” (LAKE BAIKAL PLANKTON) (грант Национального Центра Экологического Анализа и Синтеза (NCEAS), США); «Разработка интегрального индекса для анализа и прогноза состояния экосистем на основе экологических целевых функций и проверка его применимости (на примере оз. Байкал и других водоемов Восточной Сибири)» (федеральная целевая НТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», 2002–2006 гг.); «НОЦ Байкал: интеграция научной и образовательной деятельности в рамках комплексного изучения геоэкологии объекта всемирного наследия ЮНЕСКО» (проект НОЦ–017 программы Минобрнауки и CRDF «Фундаментальные исследования и высшее образование»); «Планктонная альгофлора Байкала как показатель стабильности экосистемы» (проект № 2.1.1/1359 АВЦП “Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010 гг.)”); «Разработка новых методов исследований, мониторинга и прогнозирова-ния состояния атмосферы и гидросферы озера Байкал, и создание устойчивой системы подготовки научно-педагогических кадров в рамках НОЦ «Байкал»» (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы»).
Полученные результаты необходимы для проведения гидробиологического мониторинга, оценки и прогноза состояния экосистемы оз. Байкал, используются в учебном процессе при чтении курсов лекций «Гидробиология и водная экология», «Индексация качества экосистем», «Охрана природы и заповедное дело».
Апробация работы. Материалы работы были представлены на: IX Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Диагностика опасностей и угроз современного мира и способы обеспечения безопасности» «Безопасность – 04» (Иркутск, 2004); IX Всероссийской студенческой научной конференции «Экология и проблемы охраны окружающей среды» (Красноярск, 2004); I Всероссийской молодёжной школе-семинаре с международным участием «Концептуальные и практические аспекты научных исследований и образования в области зоологии беспозвоночных» (Томск, 2004); Конференции студентов и аспирантов «Современные проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Иркутск, 2004); I и II Летних симпозиумах «Научно-образовательный центр «Байкал» – стратегия развития» (п. Большие Коты, 2006, 2007); IX и X Съездах гидробиологического общества РАН (Тольятти, 2006; Владивосток, 2009); Всероссийской конференции молодых ученых «Экология в современном мире: взгляд научной молодежи» (Улан-Удэ, 2007); CRDF English Language Intensive Training (Ростов-на-Дону, 2007); Международной летней школе «Лимноэкология Байкала» (п. Большие Коты, 2007); Национальной конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2009); Всероссийской конференции «Проблемы биологии и экологии Байкальского региона» (Иркутск, 2009); XI Международной научной конференции диатомологов стран СНГ (Минск, 2009); XIII Всемирной конференции по озерам (China, Wuhan, 2009); II Всероссийской электронной научной конференции c международным участием «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2010).
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке информационной системы по планктону озера Байкал, составлении справочника биообъемов байкальского фитопланктона. Автором лично проведены все расчеты и статистическая обработка данных, анализ межгодовой, внутригодовой и сезонной динамики численности и биомассы фитопланктона и его структурной организации. Основные идеи, методологические подходы и теоретические разработки принадлежат автору.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в т.ч. в ведущих рецензируемых научных журналах (перечень ВАК) – 3, 1 глава в монографии и 1 глава в учебном пособии.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и перечня использованной литературы, включающего 156 источников, в т.ч. 47 на иностранном языке. Работа изложена на 164 страницах и содержит 85 рисунков, 19 таблиц, 1 приложение.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.б.н. Е.А. Зилову за деятельную помощь и неоценимую поддержку на всех этапах исследования. Автор благодарит к.б.н. Г.Н. Кобанову и к.б.н. Л.Р. Изместьеву за профессиональные консультации, полезные советы и помощь в работе над диссертацией, инженеров С.В. Александрову и Н.А. Заусаеву за многолетнюю и качественную обработку проб фитопланктона, всех участников комплексных исследований на стационарной станции № 1 Южного Байкала.
